Was passiert mit den Elektronen und den E- und H-Feldern in einer Antenne mit einer stehenden Welle im Inneren?

Diagramme wie das unten gezeigte werden oft gezeigt, um die Antennentheorie zu erklären, aber ich hatte immer Probleme mit dem Konzept, dass Spannung eine Welle ist, und aus diesem Grund ergeben die Diagramme für mich keinen Sinn.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wenn die Spannungsquelle zum Zeitpunkt 0 beginnt, eine Sinuswelle zu erzeugen, ist die Spannung an jedem Punkt entlang der Übertragungsleitung:

v ( X , T ) = v M A X Sünde ⁡ ( k X − ω T )

Sobald die Spannung widerspiegelt, wird die Gleichung:

v ( X , T ) = v M A X Sünde ⁡ ( k X − ω T ) + v M A X Sünde ⁡ ( k X + ω T )

  • Erste Frage: Welcher Mechanismus erklärt, wie sich diese Spannung ausbreitet? - Eine Spannung ist keine "reale" Sache, sie ist messbar, aber sie ist nur ein Konzept, das erstellt wurde, um eine komplexe Wechselwirkung von Coulomb-Kräften zwischen Elektronen zu quantifizieren. Spannung ist die elektrische potentielle Energie zwischen zwei Orten, die eine Einheitsladung fühlen würde. Energie ist nur das Potenzial, Arbeit zu verrichten, das ist das Integral der Kraft über die Distanz, die in Richtung der Kraft zurückgelegt wird. Bei einer Potentialdifferenz von 1 Volt zwischen 2 Punkten ( A Und B ) innerhalb eines elektrischen Feldes, das bedeutet, dass eine Einheitsladung an einem Punkt platziert wird B würde 1 Joule erfordern, um zum Punkt bewegt zu werden A . Das ist alles Spannung, ich verstehe nicht, wie sich das als Welle ausbreiten kann.

  • Zweite Frage: Warum reflektiert die Spannung? - Ähnlich wie beim obigen Grund, wenn die Spannung nur die Menge an Arbeit beschreibt, die erforderlich ist, um 1 Coulomb zwischen zwei Orten zu bewegen (die geleistete Arbeit kann als Entfernung oder Kraft manifestiert werden, solange: W = ∫ F ⋅ X ), wie kann es dann reflektieren?

  • Dritte Frage: Wie hoch ist die Spannung auf dieser Leitung relativ? - Spannung muss sich immer auf etwas beziehen, da es sich um eine Potentialdifferenz handelt. In geschlossenen Stromkreisen mit einer oszillierenden Spannungsquelle behandeln Sie normalerweise eine Seite der Spannungsquelle so, dass sie immer auf Masse liegt (konstante 0 V) ​​und die andere Seite der Spannungsquelle zwischen den maximalen und minimalen Werten oszilliert. Da die Spannung relativ ist, ist dies genau dasselbe, als würden beide Seiten der Quelle als oszillierend behandelt und die Differenz zwischen den beiden immer gleich: v M A X Sünde ⁡ ( ω T ) . Es ist nur einfacher, eine Seite als Masse zu behandeln. Was ist Masse in der Antenne und wie sind die Spannungen relativ?

  • Letzte Frage: Warum liegen Spannung und Strom jeweils an Knoten / Bäuchen? - Okay, wenn ich einfach akzeptiere, dass Spannung eine Welle und daher eine stehende Welle in einer offenen Übertragungsleitung sein kann, bin ich immer noch verwirrt. Warum liegen die Punkte der maximalen Spannung (Bäuche) am Punkt des Nullstroms (Knoten)? An einem Punkt maximaler Spannung oszilliert die Potentialdifferenz zwischen ihrem maximalen und minimalen Wert, warum tritt hier also nicht der maximale Strom auf?

Hinweis: Ich bin nicht ganz sicher mit den Gleichungen, die ich für den Wert der Spannung zu diesem Zeitpunkt angegeben habe T und Stellung X . Bitte bearbeiten Sie diese nur, wenn sie nicht korrekt sind, da sie nicht das Hauptanliegen meiner Frage sind. Ich möchte hauptsächlich wissen, was mit den Elektronen und Feldern in der Antenne passiert, damit ich verstehen kann, warum sich die Spannung ausbreitet und warum sie reflektiert wird.

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(Alle Bilder in dieser Antwort wurden von mir für Wikipedia gemacht! Links hier )

Beginnen wir mit der einfachsten Frage: Spannung relativ zu was?

Schaltplan der Übertragungsleitung

Es ist die Spannung von einer Leitung zur anderen.

Sehen wir uns nun eine Animation einer Übertragungsleitung an. Dieser ist mit einem impedanzangepassten Widerstand abgeschlossen, sodass wir uns noch keine Gedanken über Reflexionen machen müssen.

Übertragungsleitungsanimation

Die Punkte repräsentieren Elektronen. Die rote Farbe steht für Hochspannung und die blaue Farbe für Niederspannung.

Was bringt die Welle zum Fließen?

  • Die gebündelten Elektronen stoßen sich ab, und die ausgebreiteten Elektronen ziehen sich an. Wie eine Kompressionswelle auf einer Feder (slinky). Die Stärke der Anziehung oder Abstoßung hängt von der Kapazität der Leitung ab. Bei einer großen Kapazität gibt es weniger Anziehung und Abstoßung, weil die andere Leitung (die immer die entgegengesetzte Ladung hat) die anziehende oder abstoßende Kraft teilweise aufhebt.

  • Die Elektronen verhalten sich, als hätten sie Trägheit, dh sie wären schwer. Sie haben nicht wirklich Trägheit (die Masse des Elektrons ist zu klein, um hier eine Rolle zu spielen), aber dies ist der Effekt der Induktivität der Leitungen. Wenn eine Kraft auf die Elektronen drückt, beschleunigen sie allmählich , nicht augenblicklich, als ob Sie einen schweren Karren schieben würden. (Denken Sie darüber nach, was ein Induktor tut.)

Sie können es sich also wie eine Kompressionswelle vorstellen, die eine Feder hinunterläuft (slinky). Die Elektronen bündeln sich, was eine Abstoßung verursacht, wodurch sie sich ausbreiten, aber jetzt sind sie woanders gebündelt und so weiter.

Als nächstes Reflexion:

Übertragungsleitungsreflexionsanimation

Die obere ist eine stehende Welle aufgrund der Reflexion an einem offenen Stromkreis. Der Boden ist eine stehende Welle aufgrund der Reflexion an einem Kurzschluss.

Beim obersten können sich die Elektronen am Ende nicht bewegen. Für den unteren können sie sich am Ende nicht bündeln.

Warum reflektiert es? Es unterscheidet sich nicht so sehr von einer Kompressionswelle, die vom Ende einer Feder abprallt (slinky). Warum liegen die Spannungsknoten an den Strombäuchen? Ich denke, die Antwort ist aus der Animation klar.

Ich denke, Sie wollen eine handwinkende, intuitive Erklärung. Hier ist also die Reihenfolge von einfacher zu schwieriger. Ihr Diagramm zeigt keine Antenne, sondern eine parallele Übertragungsleitung mit offenem Stromkreis, die an ihren Enden strahlen kann, und Ihre Fragen scheinen sich auf die Ausbreitung entlang der Leitung zu beziehen. Ich weiß, dass es eine sogenannte Wanderwellenantenne gibt, aber das ist nicht das, was Sie zeigen, also bleiben wir bei der Ausbreitung entlang der Linie.

  1. Die Spannung, nach der Sie fragen, ist B e T w e e N die beiden Punkte derselben X koordinieren, die ein Wechselspannungsmesser messen würde, dessen Leitungen in der Ebene dieses Querschnitts liegen und einfach mit den fraglichen Punkten verbunden sind, ohne sich um eine der Leitungen zu wickeln.

  2. Der fließende Strom wird entlang der Leitung gemessen und da die Enden nicht verbunden sind, offener Stromkreis, muss der Strom dort immer Null sein, das ist nur Ladungserhaltung. Die Spannung ist aber nicht immer Null, sondern schwankt mit der Eingangsfrequenz des Generators. Wenn Sie daran denken, diese Frequenz fast auf Null zu reduzieren, sind die parallelen Leitungen nur ein Kondensator, sodass die Endspannung dieselbe ist wie die Generatorspannung, sodass die Spannung dort eine Amplitude ungleich Null haben muss. Wenn Sie die Frequenz erhöhen, tritt zwischen ihnen eine Phasenverzögerung auf, aber zwischen den Enden baut sich eine schwankende Spannung auf.

  3. Wenn Sie an die Ladungen denken, die einen kontinuierlichen Fluss bilden, der vom Generator links angetrieben wird, dann denken Sie daran, dass sich alles, was sich ausbreitet, mit einer endlichen Geschwindigkeit ausbreitet, sodass jede Wechselwirkung weiter rechts etwas später als links stattfindet, also "Dinge". sozusagen verklumpen und verdünnen, was zu Schwankungen führt, nicht nur in der Zeit, die vom Generator angetrieben wird, sondern auch im Raum, daher die Welle.

  4. Der Strom kann den offenen Stromkreis nicht passieren, wo die Leitungen enden, also muss die kinetische Energie im Strom irgendwohin gehen: Der Strom prallt zurück und trägt eine reflektierte Welle mit sich.

Dies ist alles Handwinken und nur zur Visualisierung, ich behaupte nicht, dass es Ihnen zu einem tiefen Verständnis der Physik von Übertragungsleitungen verhelfen wird. Dazu sollten Sie die Telegrapher's Equation studieren und können hier http://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_line beginnen

Was passiert mit den Elektronen und den E- und H-Feldern in einer Antenne mit einer stehenden Welle im Inneren?
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